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1、机载雷达项目软件需求规格说明书目录1引言11.1编写目的11.2背景11.3定义11.4参考资料12需求概述12.1目标12.2运行环境12.3关键点12.3.0关键功能12.3.1关键算法22.3.2关键技术22.4约束条件33需求规格33.1软件系统总体功能对象结构33.2软件子系统功能对象结构13.3描述约定13.4功能或对象的描述13.5处理流程33.6性能113.7外部接口113.8数据113.9操作113.10故障处理113.11算法说明114尚未解决的问题115支持信息111 引言1.1 编写目的通过本文档定义机载雷达数据处理系统的具体的功能需求、非功能需求、技术约束。为设计人员
2、和开发实施人员后续工作提供依据和基础，避免设计和开发过程偏离用户需求。1.2 背景本项目为国家863科研课题项目，主要用户机载雷达的数据处理，以及机载雷达与地基、车载雷达数据对比，生成雷达产品为监测人员对飞机飞行环境进行评估提供支撑。本系统属独立系统，与其他产品无从属关系1.3 定义IQ数据：回波数据的两个垂直分量，经过计算可以得到更进一步的数据1.4 参考资料无2 需求概述2.1 目标机载雷达数据处理系统主要用于机载雷达数据的处理，为飞机航行提供安全飞行的保证。机载雷达处理系统包括数据输入、数据输出、数据处理，数据显示，显示控制、辅助功能。并对操作人员提供人机交互功能，满足特定产品的处理显示
3、。2.2 运行环境本系统主要运行在普通PC，windows XP操作系统。2.3 关键点2.3.0 关键功能机载雷达数据处理系统中关键功能主要是实时数据处理功能以及历史数据处理功能。实时数据处理功能主要指系统接收机载雷达UDP广播的径向数据和惯导数据，进行数据处理生成产品生成，产品显示。历史数据处理功能主要指系统读取本地的雷达数据以及惯导数据，进行数据拆分，产品生成，产品显示。2.3.1 关键算法机载雷达数据处理系统中关键算法，主要包括I/Q数据处理算法、坐标转换算法、质量控制算法、产品生成算法，具体描述如下：1、I/Q数据处理算法I/Q数据处理算法主要是采用fft方法对输入的本地I/Q数据进
4、行处理，生成R、V、W和功率谱数据等。2、质量控制算法质量控制是通过相关算法判断资料中雷达数据的可靠性，以便后续对其进行相应的处理。质量控制算法包括地物杂波抑制、速度退模糊、衰减订正、散射订正。只有质量控制算法执行正常，才能保证后续生成的数据产品及图形的可靠性。所以质量控制算法为本项目中的一类关键算法。3、产品生成算法产品生成算法是通过相关算法生成雷达数据产品。该功能提供的产品直接决定了本系统的最终用户的使用体验，其中的图形、雷达产品生成算法还具有算法复杂、处理数据量大的特点，因而产品生成算法是本项目中的一类关键算法。2.3.2 关键技术机载雷达数据处理系统是一个实时业务系统，对稳定性、时效性
5、要求极高，另外为了应对雷达数据处理技术发展带来的雷达数据和雷达数据算法的不断增加，要求系统具有良好的可扩展性。要满足稳定性、时效性、可扩展性方面的要求，机载雷达数据处理系统开发过程中需要如下关键技术：1、分层体系结构分层体系结构：在纵向采用分层体系结构，将应用软件系统自下而上分为数据层、支撑层、应用层和接口层，底层由基础硬件层、基础软件层提供支撑环境；2、异常处理技术数据加工处理系统是一个实时业务系统，用户对系统软件的稳定性和健壮性的要求很高，异常处理是一种比较有效的提高软件健壮性和稳定性的方法。本系统异常处理的主要设计思想是：基于不同的异常源分析和异常类型定义，结合异常处理机制对异常进行分层
6、、分类处理，同时系统设计时充分考虑如何尽量避免异常出现。3、算法模块热插拔框架雷达数据处理过程以算法模块为最小单元，根据业务需求进行业务流程灵活配置，要求对各类资料的整个数据处理过程中预处理、质量控制和产品生成算法模块支持热插拔。对于正在使用中的功能模块，需要等到相应的任务执行完毕后再进行算法模块更新和删除。算法模块热插拔框架是本系统保证可扩展性及流程可配置性的关键所在。4、C/C+编程技术本系统用C/C+编程语言实现，主要考虑到C/C+良好的跨平台特性及较高的运行效率，同时还能利用诸多应用广泛且性能优良的基于C/C+语言的通讯、图形界面等开发包。2.4 约束条件本系统属于国家科研项目，所有技
7、术资料需对外界保密。3 需求规格3.1 软件系统总体功能对象结构机载雷达数据处理系统的主要功能是：对获取的雷达数据进行I/Q数据处理、坐标转换、质量控制，生成雷达数据产品，并将雷达数据产品以及飞机轨迹进行图像显示。机载雷达处理系统包括数据输入、数据输出、数据处理，数据显示，显示控制、辅助功能六部分。并对操作人员提供人机交互功能，满足特定产品的处理显示。机载雷达数据处理系统的功能结构图如下： 图3-1机载雷达数据处理系统功能结构图3.2 软件子系统功能对象结构本系统无子系统3.3 描述约定3.4 功能或对象的描述机载雷达处理系统包括数据输入、数据输出、数据处理，数据显示，显示控制、辅助功能。并对
8、操作人员提供人机交互功能，满足特定产品的处理显示。机载雷达处理系统功能列表如下：功能功能说明数据输入实时雷达数据输入UDP数据接收采用UDP接收方式，实时接收机载雷达R、V、W、LDR等相关数据。UDP雷达数据解析利用基于局域网的UDP协议，解析UDP数据获取中R，V、W、LDR等数据。飞行姿态数据输入UDP数据接收采用UDP接收方式，实时接收机载雷达的飞行姿态数据。UDP惯导数据解析利用基于局域网的UDP协议，解析UDP数据获取飞机姿态数据。预订航线数据输入预定航线文件读取读取本地的预定航线数据文件。预定航向文件解析根据预定航线文件格式解析获取预定航线数据。历史雷达数据输入数据雷达型号识别根
9、据文件路径判断雷达所属雷达型号雷达数据读取读取雷达数据文件雷达数据文件解析根据型号解析雷达数据其他气象资料输入其他气象资料文件读取本地非雷达气象资料文件读取气象数据解析根据气象数据格式进行数据解析数据输出测雨雷达数据输出经过对I/Q数据的处理后，将R、V、W按每个仰角层以PPI的方式，组成完整体扫的测雨雷达数据，写入一个.netcdf格式的文件。一次体扫数据由多个PPI文件构成。测云雷达数据输出经过对I/Q数据的处理后，将R、V、W按每个仰角层以PPI的方式，组成完整体扫的测云雷达数据，写入一个.netcdf格式的文件。一次体扫数据由多个PPI文件构成。功率谱数据输出经过对I/Q数据的处理后，
10、将功率谱按每个仰角层以PPI的方式，写入二进制格式的文件，后缀名为.power。一次体扫数据由多个PPI文件构成。气象产品输出数据文件输出对雷达数据进过数据处理，将生成数据输出到本地保存。数据图像输出将气象产品数据绘制气象图像，进行本地存储。数据处理I/Q数据处理I/Q数据处理，获取R、V、W数据用fft方法对I/Q数据进行处理，得到R、V、W等。I/Q数据处理，获取功率谱数据用fft方法对I/Q数据进行处理，得功率谱数据。坐标转换雷达坐标经纬格点化处理负责将机载雷达探测数据坐标转换为经纬度的大地坐标。雷达坐标三维格点化处理负责将雷达坐标转换为空间的三维格点坐标。数据格式转换指雷达扫描数据的V
11、PPI和VRHI数据格式的相互转换。质量控制地物杂波抑制利用地物杂波抑制算法，消除雷达数据中的地物杂波、异常地物杂波。速度退模糊利用速度退模糊算法对雷达数据进行平均径向速度的退模糊处理衰减订正利用衰减订正算法对雷达数据进行雷达数据散射订正利用散射订正算法消除雷达数据中间歇点杂波毫米波散射和衰减订正机载雷达风场探测精度计算AirplaneLib.lib实现机载相控阵多普勒雷达径向风探测精度的计算。产品生成云水含量计算调用算法，对雷达RHI数据中的云水含量进行计算。云冰含量计算调用算法，对雷达RHI数据中的云冰含量进行计算。雷达数据对比机载，地基，车载雷达数据的对比计算。获取不同雷达对相应的空间位
12、置采样对比数据。雷达扫描远端轨迹计算飞机绕某点盘旋时，获取雷达扫描远端的数据轨迹。双角扫描重叠库计算对衔接且不重叠相关各角数据，进行双角扫描重叠库数据的对比计算融化层识别数据显示I/Q数据图谱显示将机载雷达I/Q数据以图谱的形式进行显示。机载雷达数据显示机载雷达的R，V，W，ZDR，LDR数据的极坐标显示。地基雷达数据显示地基雷达的R，V，W数据的极坐标显示。雷达产品显示云水含量图像显示根据色标，标记雷达采样区域内的云水含量，进行二维图像显示。云冰含量图像显示根据色标，标记雷达采样区域内的云冰含量，二维图像显示。雷达数据对比图像显示车载、机载、地基雷达共同采样区域的对比数据，根据色标进行二维图
13、像显示。雷达扫描远端轨迹图像显示雷达扫描的远端轨迹区域，进行二维图像显示。双角扫描重叠库图像显示双角扫描重叠库数据，根据色标进行二维图像显示。融化层识别显示雷达参数显示雷达参数以列表形式，进行数据显示。飞机姿态信息显示以图形和仪表的形式显示飞机的飞行姿态。航迹显示在GIS区域叠加显示飞机的实时航迹。地图显示GIS信息的二维图像显示。GIS信息的作用主要是导航和定位，可以进行完整地理信息的二维显示。三维显示雷达数据以及GIS数据的三维显示。并且可以进行剖面等三维操作功能。显示控制缩放对显示的数据图像以及GIS图像进行缩放操作，并且能够进行多图像同步缩放。拖拽漫游对显示的数据图像以及GIS图像进行
14、拖拽漫游操作，并且能够进行多图像同步操作。光标读取能够读取光标所在位置周围九个位置，每个点的测量值。翻页对显示图像进行翻仰角操作。动画对非实时数据可以进行动画播放，能够对本地的多个I/Q数据，进行动画播放。辅助功能参数配置算法参数配置能够通过界面配置各算法的参数。雷达参数配置能够通过界面配置各雷达的参数。地理信息配置能够通过界面配置各地理信息的参数。用户管理用户添加能够添加用户，赋予用户角色信息。用户删除能够删除用户。用户定制功能用户可以根据需要定制系统界面、功能。接口服务能够动态的加载外部的可执行程序或者dll，实现接口服务。算法加载算法添加提供算法添加的界面，用户可以根据需要导入新的算法。
15、加载过程配置用户定制调用的流程，制定输入。流程配置可进行业务流程的配置。能够调整预处理，质量控制、产品生成中个算法的处理顺序。3.5 处理流程本系统主要包含实时数据处理流程、历史数据处理流程、飞机姿态处理显示流程、飞机航迹处理显示流程、业务流程配置流程、算法动态加载流程、参数配置流程、用户管理流程等处理流程。1. 实时雷达数据处理显示流程实时数据处理显示流程图如下：图3-2体扫开始，接收基于局域网的UDP协议的数据，解析R、V、W、LDR数据，判断是否进行质量控制，如果需要质量控制，进行地物杂波抑制，衰减订正，散射订正。将雷达数据以图像的形式在界面上进行显示,当体扫数据处理完成后将产品数据输出
16、到本地存储。2. 历史数据处理显示流程历史数据处理显示流程图如下：图3历史数据处理包括I/Q数据和地基雷达数据的处理。先判断数据类型如果为I/Q数据,调用I/Q数据处理流程，进行数据解析，将功率谱数据输出成二进制文件，将R、V、W数据进行质量控制、产品生成、将数据显示在界面上。地基雷达数据载入后，进行地基雷达数据解析，之后进行质量控制，产品生成，然后以图像的形式显示地基雷达产品，并将R、V、W数据输出成netcdf格式文件。3. 飞机姿态处理显示流程飞机姿态处理显示流程图如下：图4体扫开始，接收基于局域网的UDP协议的数据，解析其中的飞机飞行姿态数据和机外环境数据。飞机飞行姿态数据包含多个惯导
17、数据：速度、加速度、横滚角、俯仰角、航向角、高度、颠簸等；机外环境数据包含：温度、湿度、风力、风向等。随后，将解析的数据以图形方式或者仪表的方式显示出来。由于是实时接收UDP协议数据，所以飞机的姿态数据和机外环境数据是不断变化的，直到体扫结束。4. 飞机航迹处理显示流程飞机航迹处理显示流程图如下：图5体扫开始，接收基于局域网的UDP协议的数据，解析其中的惯导数据，得到飞机飞行的经纬度、翻滚角、俯仰角、方位角、高度等数据。调用算法，将飞机经纬度坐标转换为地心坐标系的经纬度。根据计算出来的地心坐标系的经纬度，将飞机航迹绘制在GIS地图中。由于是实时接收UDP协议数据，所以GIS地图中绘制出来的飞机
18、航迹是不断变化的，直到体扫结束。5. 业务流程配置流程程序启动业务流程初始化流程图如下： 图6业务流程初始化，首先读取配置文件，获取参数，进行数据预处理设置，然后进行质量控制选项设置，产品生成选项设置。业务流程配置流程如下：图用户通过业务流程配置界面修改配置业务流程点击确定后，判断是否修改了预处理设置、质量控制设置、产品生成设置，更新对应的配置文件，当系统处于空闲时间时更新系统业务流程。6. 算法动态加载流程算法动态加载流程图如下：图7算法初始化后，用户操作算法添加界面进行算法添加以及算法参数设置点击确定后，更行算法配置文件，算法参数文件，当系统空闲时更新算法调用流程。7. 参数配置流程参数配
19、置流程图如下：图8参数配置包括算法参数配置、雷达参数配置和地理信息参数配置。进行参数配置首先要读取配置文件得到各类型的参数，然后根据需要进行参数的修改和保存。最后将新配置参数的参数应用到后面的数据处理中。8. 用户管理流程用户管理流程图如下：图8该系统可以为不同的用户提供不同的操作界面、系统功能和显示方式等。因此，需要对用户进行帐号和权限管理。用户管理分为权限管理和帐号管理。用户帐号可以分为三个级别：超级用户（root）、系统管理员（admin）、一般用户（user）。用户管理还包括系统用户的登录、切换、锁屏和退出等操作。帐号管理功能负责维护系统的用户帐号列表，并创建用户帐号，为用户帐号分配系
20、统权限（通过指定系统角色），可以进行用户帐号的添加、删除、更新和检索。权限管理功能负责维护系统的功能权限表，并创建系统角色，为系统角色分配权限，可以进行系统角色的添加、删除、更新和检索。3.6 性能由于本系统数据实时处理系统所有对本系统的时效性以及稳定性有所要求。4G大小的文件需要10分钟左右时间处理完毕。3.7 外部接口对外提供接口服务，能够启动外部的应用程序或者通过配置能够调用外部的动态库。3.8 数据本系统处理的数据主要为I/Q数据、地基雷达数据、机载雷达数据、惯导数据、以及产品数据。3.9 操作主要的操作包括缩放、拖拽漫游、光标读取、翻页、动画功能。3.10 故障处理无3.11 算法说
21、明一、反射率的计算:首先要读数据，将每一个帧的包头和I/Q数据部分都读入预先定义的结构体数组与data_I,data_Q数组中，接着进行以下几步计算：1、消直流 对一个帧内所有的I或Q做平均，求出直流信号DC_I,DC_Q，然后data_I=data_I-DC_I,data_Q=data_Q-DC_Q，消去直流信号。2、 计算回波功率 Pr=(data_I)+(data_Q)，3、 计算平均回波功率 由于在每个径向上要发射Tr个脉冲，有Tr次采样，因此要将Tr个距离门上的每个对应点的回波功率做平均，求出平均回波功率。4、 消除噪声干扰信号 机内带有噪声，需要在平均回波功率的基础上减去噪声干扰。
22、（噪声门限范围取2000-3500）5、 求反射率 根据雷达气象方程,求反射率因子Z，用dBZ=10logZ,把Z转换成dBZ。（需将机内标定误差考虑在内）二、速度、谱宽的计算:（参考何建新现代天气雷达P181）对于多普勒信息的提取方法，我们可以通过对返回信号（即I/Q信号）进行傅氏变换，得出其频谱分布，进而导出平均多普勒频移和谱宽等。由于某一距离上的返回信号是离散的，对其进行傅氏变换就需要采用离散傅里叶变换（DFT），为了提高变换的速度，常采用快速傅里叶变换（FFT）的算法，运用这种方法来处理降水回波信号，称为FFT方法。设某一距离上雷达接收到的返回信号为S(KTs)，Ts为取样时间间隔，K是取样的序号。S(KTs)可用复数形式表示。运用离散的傅里叶变换，就可以得到脉冲回波信号总数为N的频谱 其中n=0,1,2N-1,S(KTs)是离散的时域信号，F(nf)是对应的离散的频域信号。它所对应的频谱就是复频谱，即其谱密度函数S(nf)可由F(nf)求出 所以 然后利用求得的复频域和平均多普勒频率和谱宽（谱方差）的定义可得 式中的fa为信号频率，fi为采用点，fd为平均多普勒频移，df表示谱宽。求出平均多普勒频移后，利用公式即可得到平均多普勒速度。4 尚未解决的问题无5 支持信息无
